基于柱面镜光学多通池的CH_4高灵敏度探测

光学多通池被广泛应用于吸收光谱气体检测中,用来增加吸收光程,提高探测灵敏度。提出了一种由两块圆型柱面镜构成的光学多通池,其结构紧凑,镜面有效利用率高,相比传统相同基长的多通池可实现的光程有很大的增加。通过调节前后两柱面镜的间距和相对旋转角度,可得到不同的光斑分布,实现不同的光程。实验中使用1.653μm的分布反馈式二极管激光器作为光源,采用直接吸收光谱方法对CH4气体进行了探测,在气体有效吸收光程为13.8 m的情况下,检测极限达到了0.68μmol/mol,并利用该系统实现了大气中的CH4探测。     

基于新型长光程多次反射池的CO高灵敏度检测

在吸收光谱检测技术中,常利用多次反射池技术增加吸收气体的光程长度,以提高灵敏度,降低检测极限。通过综合传统的多次反射Herriott池和White池的优点,利用White池的三镜光学结构和Herriott池的光路传输原理,设计出了一种新型的长光程多次反射池,其结构简单、外形紧凑、光程可调、性能稳定并且小型化。将研制出的基长20cm、光程范围10～100m可调的新型多次反射池应用于可调谐二极管激光吸收光谱技术中进行一氧化碳气体的探测,结合数字信号处理技术可把现场检测的灵敏度提高到10-6量级。实验结果显示这种新型多次反射池在吸收光谱技术中应用良好,与传统同基长的反射池相比,气体检测灵敏度有了明显的提高。     

一种多次反射怀特池的研究与设计

在传统怀特池的基本原理上,采用高斯光学分析方法推导出了多次反射怀特池的总光程和光斑分布的数学公式。分析表明:连续奇数号光斑间距与连续偶数号光斑间距相等,为两次镜曲率中心间距的2倍,且交替排布;当主镜上有N个光斑时,怀特池总光程OP≈2(N+1)L,其中L为怀特池的基长。根据分析所得结论,对传统怀特池进行了改进,使其能够在减小主镜口径的同时充分利用其有效口径和中间光程。结合设计实例,将结构数据在CODE V上进行模拟和优化计算,通过实际装调验证了所推得的数学公式和结论对指导设计多次反射池的正确性。     

1.653 μm处甲烷分子谐波探测技术研究

谐波探测被广泛应用于激光光谱技术中,利用它可以提高探测灵敏度。利用1.653 μm的分布反馈式(DFB)二极管激光器作为光源,建立了一套可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)甲烷探测装置。该装置利用由2块圆形柱面镜构成的光学多通池增加吸收光程,提高探测灵敏度。吸收池基长为15 cm,在112次反射情况下,有效吸收光程达到16.8 m,实现甲烷0.60×10-6(2 s采样时间)的探测极限,可应用于实际大气甲烷的痕量探测。     

多元热流体激光检测及杂光抑制光路

为实现多元热流体组分含量激光在线检测,根据多次反射吸收光谱原理提出了长光程开放光路反射阵列光学池,研究了不同光斑直径下光束发散角和对准误差对多元热流体检测系统接收效率的影响,并且针对高温注汽管道内壁产生的杂散辐射提出一种新型消杂光结构。研究结果表明:反射镜镀膜为银膜,光学窗口材料为熔融石英,多次反射结构的最佳反射次数为40次,有效吸收光程为220 cm;对于不同光斑直径的检测光束,发散角与对准误差的增大对系统接收效率的衰减趋势和衰减幅度基本一致;离轴角为5°时,系统点源透射比(PST)为1. 21×10~(-7)。最后通过高温管道内壁热辐射抑制实验验证了杂光抑制结构的有效性。     

新型光学长程吸收池的仿真设计研究

为了解决传统的长程光学吸收池设计中镜面利用率低导致反射次数少的问题,根据传输矩阵理论,开展了离散型Herriott池的结构参数设计研究。基于MATLAB数值计算模拟详细研究了吸收池内光线的传输次数与机械结构参数、光线的入射位置及入射角之间的依赖关系。仿真结果为实际应用中设计便携式长程光学吸收池提供良好的参数和模型借鉴作用。     

光路几何配置对体全息存储角度复用度的影响

利用耦合波理论对体全息存储角度复用方式的基本原理进行了讨论,分析了对称写入、非对称写入及邻面写入等不同光路几何配置对角度复用度的影响。考虑存储介质临界角的限制,推导出最大角度复用度的计算公式。理论分析及数值模拟表明：非对称入射光路比对称入射光路更有利于提高系统的角度复用度;邻面入射光路的角度复用度最高且与参考光入射角改变量成正比,邻面入射光路是最佳的角度复用存储光路。     

(Ga,Mn)As中电流诱导自旋极化的磁光Kerr测量

在GaAs吸收带边附近, 利用磁光Kerr效应测量了(Ga,Mn)As和p-GaAs样品的电流诱导Kerr旋转谱和反射谱, 两者都呈现出Lorentz曲线形状. 电流诱导Kerr旋转角和反射率随着电流的增大而增大, Kerr角与电流的大小成正比关系, 反射率与电流的平方成正比关系. (Ga,Mn)As的Kerr旋转角比p-GaAs的大了一个数量级, 这说明Mn原子的掺杂使得电流诱导的自旋极化增强. 另外, 还测量了温度和入射光偏振方向对电流诱导Kerr旋转谱和反射谱的影响. 发现随着温度的升高, Kerr谱和反射谱均向长波方向移动, 这与GaAs带边随温度的变化是一致的.     

红外监听器创意实验

开设了〗红外监听器创意实验,通过引导学生制作监听装置,并探究入射光距离、入射光角度和反射光斑照射面积对监听效果的影响,培养了学生的创新能力。     

超高分辨差分吸收光谱技术测量火焰中OH自由基

介绍了超高分辨差分吸收光谱测量火焰中OH自由基的实验方法与结果分析.实验以准直氙灯作为光源;使用基长为20 m,反射次数176次,总光程为3 520m的怀特结构多次反射池扩展光程;使用光谱分辨率为3.3pm的超高分辨中阶梯光栅光谱仪作为光谱采集系统.该系统满足对OH自由基单根吸收谱线测量的需求.实验获得了OH自由基在3...     

激光雷达系统快速准直的方法和光学装置

 研制了一种能够方便、快速调节激光雷达收发光路准直的光学装置,分析了装置楔角的选取要求、准直误差及其相应的矫正方法。该装置结构简单,主要由两个楔形光学平板组成,通过电机转动两个楔板可使出射光束方向在一定范围内任意改变,该调节范围由楔板的楔角和折射率决定。利用折射定律,严格推导了装置中两个楔形光学平板的旋转角度与出射光束方向之间的关系。提出了将该光学装置插入到激光雷达发射光路,采用螺旋式粗扫、圆形和径向细扫相结合的光束扫描方式实现对激光雷达准直的方法,并给出了系统准直调节过程中的判断准则和具体的准直步骤。     

阿基米德螺旋微纳结构中的表面等离激元聚焦

研究光在微纳结构中的分布与传播, 实现在纳米范围内操纵光子, 对于微型光学芯片的设计有着重要意义. 本文利用聚焦离子束刻蚀方法, 在基底为石英玻璃的150 nm厚金膜上刻制了不同参数的阿基米德螺旋微纳狭缝结构, 通过改变入射光波长、手性、及螺旋结构手性和螺距等方式, 在理论和实验上系统地研究了阿基米德螺旋微纳结构中的表面等离激元聚焦性质. 我们发现, 除了入射激光偏振态、螺旋结构手性之外, 结构螺距与表面等离激元波长的比值也可以用来控制结构表面电场分布, 进而在结构中心形成0阶、1阶乃至更高阶符合隐失贝塞尔函数的涡旋电场. 通过相位分析, 我们对涡旋电场的成因进行了解释. 并利用有限时域差分的模拟方法计算了不同螺距时, 结构中形成的电场及相应空间相位分布. 最后利用扫描近场光学显微镜, 观测结构中不同的光场分布, 在结构中心得到了亚波长的聚焦光斑及符合不同阶贝塞尔函数的涡旋形表面等离激元聚焦环.     

基于传输矩阵法的聚合物太阳能电池光学性能分析

采用基于传输矩阵法的光学模型及Matlab软件,模拟了以聚合物P3HT:PCBM为活性层的倒装太阳能电池,并分析了模拟电池的吸光率及其内部光电场分布。探讨了厚度、入射角度以及新结构对电池光学性能的影响。模拟结果表明,电池的光吸收主要由活性层厚度决定,分别随着电子传输层和空穴传输层厚度的增加而下降。当光入射角度增大时,由于光程的增加电池的吸光率随之增加,在40°入射角时达到最大;由于其他光学作用,器件吸光率在40°入射角以后反而降低;证明了光斜入射时电场在整个器件中分布是不连续的。通过在基本结构的适当位置插入一层薄膜构成的微腔器件,由于光学共振效应能够有效提高电池的光吸收。     

Helicity Multiplexed Spin‐Orbit Interaction in Metasurface for Colorized and Encrypted Holographic Display

The photonic spin‐orbit interaction (PSOI) in inhomogeneous anisotropic metasurface has drawn much attentions recently due to its superior ability to manipulate light wave in the deep‐subwavelength scale. Traditional methods involving PSOI are limited to operational spectral bandwidth owing to the intrinsic dispersion of the constitutive materials. In this paper, a helicity‐multiplexing scheme is proposed to achieve independent control of the PSOI in both the spectral and spatial domains by combining the broadband characteristic with polarization dependence of the metasurface. Two simultaneous functions of multicolor holographic display and polarization encryption are experimentally demonstrated with a single metasurface perforated with nanoholes. Although the optical response of the nanoholes themselves are almost independent of the light wavelength, the obtained image can have abundant spectral information. The approach proposed here is promising for realizing multifunction optical device, multicolor display, optical storage and information encryption.     

平板式螺旋相位板的设计与应用

传统的螺旋相位板是一种利用沿方位角方向介质材料高度递增实现对光束相位调控产生涡旋光束的光学器件,由于这种特殊的几何结构特征使其不能通过相位板的叠加而调控出射光束所携带的角量子数.本文基于坐标变换方法将介质材料沿方位角方向折射率不变而高度递增的传统螺旋相位板变换为一种介质材料沿方位角方向高度不变而折射率递增的平板式螺旋相位板.通过理论分析与数值模拟,发现本文所设计的平板式螺旋相位板不仅与传统螺旋相位板一样能够产生高质量的涡旋光束,而且平板式螺旋相位板的高度和涡旋光束携带的角量子数可以根据介质材料的折射率选取而任意调节.为了实际应用的需要,可以通过叠加多层平板式螺旋相位板以获得不同角量子数的涡旋光束.这种平板式螺旋相位板在光传输、光通信等领域具有广阔的潜在应用价值.     

Spatial optical (2+1)‐dimensional scalar‐ and vector‐solitons in saturable nonlinear media

(2+1)‐dimensional optical spatial solitons have become a major field of research in nonlinear physics throughout the last decade due to their potential in adaptive optical communication technologies. With the help of photorefractive crystals that supply the required type of nonlinearity for soliton generation, we are able to demonstrate experimentally the formation, the dynamic properties, and especially the interaction of solitary waves, which were so far only known from general soliton theory. Among the complex interaction scenarios of scalar solitons, we reveal a distinct behavior denoted as anomalous interaction, which is unique in soliton‐supporting systems. Further on, we realize highly parallel, light‐induced waveguide configurations based on photorefractive screening solitons that give rise to technical applications towards waveguide couplers and dividers as well as all‐optical information processing devices where light is controlled by light itself. Finally, we demonstrate the generation, stability and propagation dynamics of multi‐component or vector solitons, multipole transverse optical structures bearing a complex geometry. In analogy to the particle‐light dualism of scalar solitons, various types of vector solitons can ‐ in a broader sense ‐ be interpreted as molecules of light.     

大口径光学离轴平行光管研究——主反镜结构及光学检测

在长焦距大口径平行光管的应用中,平行光管物镜的定位精度以及在装调过程中高灵敏度的调试环节十分重要.介绍大口径离轴光学平行光管主镜结构及其检测方法,给出3种不同口径下的光学系统的装调方法,详细分析 700 mm的平行光管的主镜结构及精调装置,并利用4D干涉仪来检测装调装置对面形的影响.结果表明,该装调装置为自由移动装置,...     

晶体电光调制实验装置与光路调整的改进

对晶体电光调制实验装置进行了改进,通过对光源和电光晶体的方向调整,并利用光路中的2个小孔光阑使入射光和晶体反射光实现准直,从而使入射光方向与晶体光轴方向平行.同时给出了具体的光路调整方法,使光路的调整变得简单准确易调,提高了测量准确性.     

All‐Optical Transmission Modulation Due to Inelastic Interactions of Ultrashort Pulses in a Disordered Resonant Medium

Random resonant media being one of the possible realizations of disordered metamaterials open a room of opportunities for achieving new fundamental effects and designing advanced nanophotonic devices. Strongly nonlinear optical properties of such media attract ever increasing attention nowadays from both theoretical and experimental points of view. Hereinafter, the case of the photonic‐crystal‐like structure with a randomly varying light–matter coupling provided by the random density of quantum particles is considered. Using numerical solution of the Maxwell–Bloch equations, the effects of the pulse collisions in the medium are studied. It is shown that disorder enables the qualitative changes of the system's response for co‐propagating pulses, whereas this is not the case for the counter‐propagating ones. The scheme for an all‐optical transmission modulation due to the disorder‐induced inelasticity of collisions of co‐propagating pulses is proposed. The ability of precise tuning the modulation via the inter‐pulse distance and background refractive index adjustment is revealed. This novel approach for light control can be utilized for some high demand applications, such as modulation and switching of a pulsed radiation.     

What spatial light modulators can do for optical microscopy

With the availability of high‐resolution miniature spatial light modulators (SLMs) new methods in optical microscopy have become feasible. The SLMs discussed in this review consist of miniature liquid crystal displays with micron‐sized pixels that can modulate the phase and/or amplitude of an optical wavefront. In microscopy they can be used to control and shape the sample illumination, or they can act as spatial Fourier filters in the imaging path. Some of these applications are reviewed in this article. One of them, called spiral phase contrast, generates isotropic edge enhancement of thin phase samples or spiral‐shaped interference fringes for thicker phase samples, which can be used to reconstruct the phase topography from a single on‐axis interferogram. If SLMs are used for both illumination control and spatial Fourier filtering, this combination for instance allows for the generalization of the Zernike phase contrast principle. The new SLM‐based approach improves the effective resolution and avoids some shortcomings and artifacts of the traditional method. The main advantage of SLMs in microscopy is their flexibility, as one can realize various operation modes in the same setup, without the need for changing any hardware components, simply by electronically switching the phase pattern displayed on the SLMs.